早在上世纪50年代，落重震源作为最早出现的非爆炸震源，已在早期的油气地震勘探中得到了应用(Sheriff and Geldart， 1995).该方法通过吊起一个重物至3~5 m高度，然后自由落地产生地震纵波作为地震源信号.1981年在荷兰三角洲的潮滩上利用30 kg重锤进行了一次高分辨率浅层地震勘测，利用得到的垂直分辨率和水平分辨率均达到3~5 m的高质量地震资料进行了地震地层学解释(Dankbaar et al., 1983).由于重物落地时激发信号无法控制，多次激发信号很难保持一致，且存在一定的安全风险等因素，近些年落重法应用越来越少，正逐渐地被加速度重锤所取代.加速度重锤使用较低的塔吊和较轻的锤体，通过液压或机械控制加速重锤下落，保证了与早期自由落体式重锤同样的激发能量，同时激发信号的一致性有了很大提高，可以实现多次叠加，且对环境的影响也较前者少(Reynolds，2011).自60年代出现开始，可控震源在国内外地震勘探中逐步占据主导地位(佟训乾等，2012；赵春蕾等，2013).目前仅有国外的几家公司如United Service Alliance，Bison Instrument Inc.，PEG source，Polaris Explore Ltd.，Integrity Geosciences Pvt. Ltd.等仍在坚持研发、制造加速度重锤型震源，且大多都集中在小吨位的震源.近年来，国内外加速型重锤震源应用很少，东方公司在哈萨克斯坦北部利用重锤震源完成了一条二维试验线(张陆军等，2008)，PGS公司利用加速度重锤仅在柬埔寨的完成了700 km二维施工其中的一部分(Natasha et al., 2009).

乌干达西北部的生油构造区，主要目的层双程旅行时仅为1.0~1.2 s，地表覆盖巨厚红色粘土层，东部部分区域位于该国最大的国家森林公园内.目的层埋深较浅，地表耦合情况良好，且工区环境十分敏感，为加速型重锤震源的使用提供了客观条件.该区域勘探初期还未有过任何机械型震源的勘探历史，可以借鉴和参考的资料非常少.综合考虑激发能量、环境保护、社区关系等因素，我们提出采用加速型重锤作为炸药的替代震源，进行敏感区域的地震勘探.最终从野外采集情况、环境保护、资料品质等几方面都得到了满意的结果.

加速型重锤震源(Accelerated Weight Drop—AWD)属于脉冲式激发源，通过重锤快速下落撞击平铺于地面的平板，产生脉冲地震波作为震源激发信号.按照设备吨位和激发能量大小分为2类：一类是便携式重锤，国内外该类重锤已被广泛应用于微测井、小折射等表层调查项目或浅层工程地震项目；另外一类是用于常规地震勘探的大吨位重锤.便携式重锤震源结构简单，拆装便捷，重锤质量轻、加速度较小，产生的震源信号穿透能力有限，可以作为100 m左右深度内表层调查震源使用.常规地震勘探中由于目的层较深，需通过增加重锤质量和高压驱动系统加速重锤下落速度以增加激发能量来满足对深目的层的勘探需求. 图 1为国外两家公司生产的加速度重锤震源车，多用于常规地震勘探；图 2为国外两家公司生产的用于浅层地震、微测井等用途的便携式震源.

图 1

Fig. 1

图 1 加速度重锤震源车 Fig. 1 Accelerated Weight Drop

图 2

Fig. 2

图 2 便携式重锤震源 Fig. 2 Portable Weight Drop Seismic Source

项目组共有XLR8-2700型重锤震源3台，为了提高该重锤针对复杂地形的通过性能，将其中一台重锤改装至沙陀车尾部(见图 3左).以该型重锤震源为例，主要由重锤、平 板、氮气加速器、重锤控制器(WDC-Weight Drop controller)、 无线电触发模块(RTM-Radio Trigger Module)组成.

图 3

Fig. 3

图 3 XLR8-2700型重锤震源 Fig. 3 XLR8-2700 Accelerated Weight Drop

WDC控制系统安装在重锤车上，连接重锤机械部分及各传感器和RTM(译码器)无线触发模块，通过手柄主动控制或采集仪器自动控制重锤激发.RTM系统用于同步脉冲式震源，先向WDC和采集仪器发出预备指令，然后向重锤发出脱钩指令，重锤落到平板后，回收平板上的传感器的触发信号，产生CTB给仪器.RTM可以自动控制重锤激发循环次数.RTM分别安装在重锤车和仪器车，通过数传电台发射信号，达到重锤激发和仪器采集同步的目的.DGPS与RTM一起安装在重锤车内，DGPS天线安装在重锤激发位置顶部，用于DGPS定位震源，通过数传电台将实时DPGS坐标信息发送到仪器车内，GPSview软件接收并记录每次激发的DGPS坐标信息.图 4是RTM同步触发系统和WDC控制系统及采集仪器联机的连接示意图.

图 4

Fig. 4

图 4 RTM同步触发系统和WDC重锤控制系统及采集仪器连接示意图 Fig. 4 Configuration of RTM synchronizer，WDC control system and seismic recording instrument

重锤的最大出力与其自身压重、高压气瓶输出压力具有线性比例关系.该型震源垂体仅重27000磅，约合1.22吨.通常一套设备的压重质量是固定的，因此，有效的压重对重锤震源的最大输出能量起着决定性的作用.在此前提下，任意增大高压气瓶的输出压力，不会增加重锤激发能量，相反会由于压重不足带来重锤二次起跳等干扰.同样车身重量的情况下，图 1(左)垂体位于车身正中这种类型的重锤具有较好的压重效果.图 5所示为XLR8-2700型重锤震源能量输出与压重关系曲线.

图 5

Fig. 5

图 5 XLR8-2700能量输出曲线 Fig. 5 Output energy curve of XLR8-2700

3.1 工区简介

该三维地震勘探工区位于乌干达西北部Albert湖畔，北接尼罗河，工区东部与乌干达最大国家森林公园重叠，施工面积314 km².工区属于环境极敏感区，数十种大型野生动物聚居，丛林密布，植被十分发育，个别区域村落密集、人口众多，地表激发条件良好，目的层浅.

仪器车上安装的RTM系统将重锤车的ID、实时位置信息(GPSview)、各处传感器信息等集中到仪器系统.

(1)首先通过WDC控制面板提升重锤，到达顶部挂钩，氮气增压达到要求压力，重锤准备完毕； RTM编码器向RTM译码器发出“Ready”指令；

(2)“Ready”指令经RTM解码后，向仪器发出启动(预备采集)指令，同时向RTM编码器发出预备激发指令；

(3)经过一定时间延迟(RTM预设的PTT延迟，通常500 ms)以给予仪器充分的准备时间；PTT延迟之后，编码器发出落锤激发指令；

(4)经过落锤时间延迟，重锤落到(撞击)地面底板，底板触发器产生脉冲震动信号，返回到RTM编码器；落锤时间通常为350 ms左右，随着氮气缸压力的增加而减少；

(5)重锤敲击地面平板，产生脉冲地震波动，RTM编码解码落锤敲击信号并输出TB信号给仪器作为启动记录信号；RTM调制解调重锤落锤触发信号大约需要10 ms左右，即TB信号延迟实际落锤敲击事件约10 ms.图 6所示重锤采集时序分布示意图.

图 6

Fig. 6

图 6 重锤采集时序示意图 Fig. 6 Timing sequence of AWD

为了保证施工安全，井炮激发必须与当地建筑保持一定的安全距离.但工区内人口聚居情况普遍，社区关系十分复杂.同时，工区北接尼罗河、西邻Albert湖、且与乌干达最大的国家森林公园重叠，环境问题十分敏感，导致部分区域井炮无法使用.因此作为绿色震源的加速度重锤主要被用于国家公园内湖边、尼罗河畔、学校附件及人口密集区，不但减少了炸药激发对环境的破坏，而且尽可能地降低了施工对当地人生产、生活的影响，得到了甲方及当地社区的一致好评.图 7左为经过人口密集的村镇时基于高清卫片的施工设计图，图 7右为重锤震源GPS实时监控图.

图 7

Fig. 7

图 7 重锤经过密集村镇设计图(左)和GPS实时监控重锤位置图(右) Fig. 7 Postplot while passing village(L)& GPS monitor(R)

由于从RTM处理重锤落锤信号到发出仪器启动TB(Time Break)信号有10 ms左右延迟，Sercel的系统补丁可以解决10 ms延迟问题.但安装、卸载重锤补丁必须重启Sercel408仪器，因此当井炮和重锤施工切换时，至少需要40分钟左右准备时间.因此施工设计中，将井炮和重锤激发点集中设计，尽可能地减少了切换次数，才能提高效率.GPSview每隔20 s存储一个位置信息用于预备和激发事件，预备和激发事件的准确坐标显示在仪器车上GPSview中，实时监控重锤车位置，坐标精度由GPS类型决定.

正式采集时，CTB(Clock Time break)记录在仪器辅助 道作为仪器启动标识，平板脉冲信号无法通过无线方式记录，质控手段较为单一.因此，采集前需进行有线连接测试，通过底板传感器信号和仪器CTB信号有线测试确定实际RTM解码时差，本项目重锤经高精度示波器多次测量，结果非常稳定，为11 ms.

3.4 资料品质

重锤震源在本项目得到了合格的地震资料，能量、频率、信噪比都达到了采集要求.如图 8所示，TB信号稳定，多台重锤得到单炮资料能量和频率范围基本一致，单炮反射波同向轴清晰、连续，频带范围较宽，信噪比好.从图 9不同激发因素典型单炮可以看出，相比1 kg炸药激发的单炮，重锤和0.5 kg炸药激发的单炮能量、信噪比略低.

图 8

Fig. 8

图 8 辅助道TB(左)及单炮频谱分析(右) Fig. 8 Time break in aux channels(L)& spectrum analysis on shot gather(R)

图 9

Fig. 9

图 9 0.5 kg炸药激发(左)，1 kg炸药激发(中)，重锤震源激发(右)单炮对比 Fig. 9 Shot gather for 0.5 kg dynamite(L)，1 kg dynamite(M) and AWD(R)

如图 10所示，重锤三次垂直叠加和0.5 kg*2口组合井激发的单炮来看，重锤激发能量略弱于0.5 kg*2组合井；信噪比略低于0.5 kg*2口组合井单炮.图 11(左)可以看出，组合井炮频谱表现略好于重锤激发单炮，其中红色曲线表示重锤激发单炮的频谱，紫色曲线表示同一时窗内0.5 kg*2口组合井的频谱曲线；图 11(右)所示两个相同时 窗内的能量对比柱状图可以看出，0.5 kg*2口组合井的能量强于重锤激发能量，其中红色、紫色分别代表一个时窗的能量.

图 10

Fig. 10

图 10 重锤三次叠加(左)及相同位置0.5 kg*2组合(右)单炮对比 Fig. 10 Single shot comparison between triple stack shot gather with AWD(L) and 0.5 kg*2 pattern shot hole

图 11

Fig. 11

图 11 重锤三次垂直叠加和0.5 kg*2频谱对比(左)及能量对比图(右) Fig. 11 Energy and frequency analysis comparison between triple stack shot gather with AWD(L) and 0.5 kg*2 pattern shot hole

为了详细了解重锤震源的激发能量水平，在同一位置进行了激发能量对比试验.试验结果如图 12中所示，其中AWD1、AWD2表示两台重锤，柱状图表示不同激发因素同一时窗内的能量统计.结果表明：两台重锤激发单炮能量基本相同；重锤激发单炮能量介于0.5 kg炸药激发和0.5 kg*2口组合井之间；重锤激发能量明显小于5 m*1 kg单井炸药激发.

图 12

Fig. 12

图 12 激发能量对比试验结果 Fig. 12 Result of energy comparison

重锤单炮分频扫描结果(图 13)显示：各频段信噪比较高，有效反射清晰可辨；70 Hz到100 Hz的较高频段，1.0 s附近目的层反射波同相轴清晰、连续，利于后期叠加成像.从重锤激发资料的现场处理初叠剖面(图 14)可以看出：浅层目的层成像清晰，信噪比高，完全满足浅目的层的油气勘探要求.

图 13

Fig. 13

图 13 重锤单炮分频扫描结果 Fig. 13 Frequency scan result for AWD single shot gather

图 14

Fig. 14

图 14 重锤资料初叠剖面(fold=60) Fig. 14 Brute stack for AWD seismic data(fold=60)

加速重锤型震源作为环保震源，在浅层油气勘探中正在发挥越来越重要的作用.在乌干达三维高密度勘探中，重锤震源作为井炮震源的补充，圆满地完成了环境敏感区、人口稠密区的采集任务，得到了合格的地震资料，满足了高端油公司对环保、社区关系的高标准要求.同时应该看到，相比炸药震源或大吨位可控震源，重锤震源在激发能量、生产效率、质控手段等方面还有进一步改进和提升的空间.